Kontinuierliche Produktion mineralölabbauender Bakterien zum Einsatz in biotechnologischen Sanierungen kontaminierter Standorte

Rohns, H.-P.

Book/Report

FZJ-2018-03961

Kontinuierliche Produktion mineralölabbauender Bakterien zum Einsatz in biotechnologischen Sanierungen kontaminierter Standorte

Rohns, H.-P. (Corresponding author)FZJ*

1992
Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek Verlag Jülich

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek Verlag, Berichte des Forschungszentrums Jülich 2679, IV, 125 p. (1992)

Please use a persistent id in citations: http://hdl.handle.net/2128/19234

Report No.: Juel-2679

Abstract: In den Verfahrensentwicklungen zur kontinuierlichen Produktion mikrobieller Biomasse mit lipophilen Mineralölkohlenwasserstoffen (SCP) stand die Optimierung derBiomasseproduktivität durch die Verkürzung der hydraulischen Aufenthaltszeit auf Kosten des Substratabbaugrades im Vordergrund. Im Rahmen dieser Arbeit sollte ein kontinuierliches Verfahren zur Produktion einer mineralölabbauenden Bakterienbiomasse mit optimaler Biomasseproduktivität bei gleichzeitig maximalen Substratabbaugrad entwickelt werden, um die Adaptation der bakteriellen Mischpopulation an die persistenten Mineralölinhaltsstoffe zu gewährleisten. Als kontinuierliche Verfahren wurden eine zweistufige Reaktorkaskade und ein einstufiges Kultursystem mit externer Biomasserückführung ausgewählt und im Labormaßstab aufgebaut. In der zweistufigen Reaktorkaskade wurde bei festgelegten Aufenthaltszeiten (D$_{RI}$ = 0,063 h$^{-1}$ und D$_{RII}$ = 0,011 h$^{-1}$) bei einer Mineralölkonzentration von 4 g/l und Ammoniumnitrat als Stickstoffquelle (C/N-Verhältnis = 100/5) die maximale Biomasseproduktivität in Relation zur Substratkonzentration im Zulauf ermittelt. Für das Gesamtsystem wurde bei einem von der eingestellten Substratkonzentration unabhängigen Abbaugrad von ca. 90 % die maximale Biomasseproduktivität von 5,1 mg$_{TS}$/lh erzielt. Durch die Verveilzeitverkurzung um 25 % wurden im ersten Reaktor die mikrobielle Verwertung der Mineralölinhaltsstoffe deutlich zugunsten der leichter verwertbaren Substanzen verschoben. Sowohl der Substratabbaugrad als auch die Biomasseproduktivität blieben im Gesamtsystem jedoch konstant. Der Einsatz von Ammoniumchlorid als Stickstoffquelle (C/N-Verhältnis = konst .) führte im Gesamtsystem zu einer deutlichen Erhöhung des Mineralölabbaugrades auf über 97 %, die Biomasseproduktivität blieb jedoch unbeeinflußt. Die Erhöhung des Substratabbaugrades resultierte vielmehr aus der kontinuierlichen Adaptation der Mikroorganismen an die persistenten Mineralölinhaltsstoffe und Kulturbedingungen als aus der Veränderung der Stickstoffquelle. Die Populationein der zweistufigen nReaktorkaskade setzte sich unabhängig von den eingestellten Versuchsbedingungen hauptsächlich aus sechs verschiedenen Bakterienkulturen zusammen. Das Screening der Bakterienreinkulturen auf die Verwertbarkeitverschiedener Mineralölinhaltsstoffe ergab ein großes Kohlenwasserstoffabbaupotential. Im zusätzlich eingesetzten Kultursystem mit externer Biomasserückführung, in dem die hydraulische Verdünnungsrate des Substrates (D = 0,06 h$^{-1}$) von der mikrobiellen Wachstumsrate ($\mu$ = 0,017 h$^{-1}$) entkoppelt wurde, konnte bei einem nahezu vollständigen Substratabbau die Biomasseproduktivität auf 16,8 mgTS/lh angehoben werden. Die Populationsanalyse der Bakterienmischpopulation unterstrich die ausgeprägte Spezialisierung der angeimpften Bakterienreinkulturen. Durch weitere Untersuchungen im Chemostaten mit den Isolaten $\textit{Flavobacteriurn indologenes}$ und $\textit{Acinetobacter junii}$ und den Mineralölinhaltsstoffen Pentadecan, Pristan und Phenanthren (w:w:w = 2:1:0,05) sollten grundlegende Fragen über die mikrobiellen Wechselwirkungen und physiologischen Zusammenhänge zwischen Substratabbau und mikrobiellem Wachstum mit lipophilen Substraten beantwortet werden. In der Kultivierung von $\textit{Acinetobacter junii}$ wurde die Gegenwart von Pristan für die Freisetzung eines biogenen Emulgators und die Adsorption an das Substrat als Voraussetzung für das Wachstum verantwortlich gemacht. $\textit{Flavobacteriutn indologenes}$,der im Screening dasselbe Substratspektrum wie $\textit{Acinetobacter junii}$ aufwies, war nicht in der Lage oberflächenaktive Substanzen zu bilden und mit den lipophilen Substraten zu wachsen. Aus einer Chemostaten-Kultur des Isolates $\textit{Acinetobacter junii}$ mit dem Kohlenwasserstoffgemisch Pentadecan und Pristan konnte eine oberflächenaktive Substanz isoliert werden, deren polarer Kohlehydrat- und Lipidanteil 14 und 39,3 % betrug [Wolters 1992]. Die kritische Mizellenkonzentration dieser Verbindung lag bei 0,1 % und entsprach einer Oberflächen- und Grenzflächenspannung von 24,8 bzw. 4,5 mN/m. $\textit{Acinetobacter junii}$ wuchs in Batch-Kulturen mit den verschiedenen definierten Substraten biphasisch ($\mu_{1}$ = 0,5 - 0,75 h$^{-}$1 und $\mu_{2}$ = 0,1 - 0,25 h$^{-1}$).Die Kultivierungen von Acinetobacter junii im Chemostaten mit Pristan bei verschiedenenVerdünnungsraten (D = 0,021 - 0,32 h$^{-1}$) ergab nur im Bereich kleiner Verdünnungsraten (D = 0,021 - 0,04 h$^{-1}$) ein Optimum für den maximalen Substratabbaugrad (83 %) und den Ertragskoeffizienten (Y$_{c}$ = 0,12). Durch mathematische Simulationen konnte neben den schon erwähnten physiologischen Eigenschaften des Mikroorganismus, wie z. B. die Bildung biogener Emulgatoren, gezeigt werden, daß der räumlichen Verteilung und der Öltropfengröße, d. h. der durch die Kulturtechnik bedingten Substratverfügbarkeit, eine besondere Bedeutung (Schlüsselfaktor) zukam. In Gegenwart von $^{Acinetobacter junii}$ zeigte $\textit{Flavobacterium indologenes}$, der sowohl in Batch- als auch Chemostat-Versuchen nicht wuchs, ein signifikantes Wachstum. Als eine Ursache für diese Wachstum konnte, die Freisetzung biogener Emulgatoren durch $\textit{Acinetobacter junii}$ und die daraus resultierende erhöhte mikrobielle Verfügbarkeit anlipophilen Substraten verantwortlich gemacht werden. Die Konkurrenz dieser Isolate um die verfügbaren Substrate oder die Verwertung von Stoffwechselprodukten durch $\textit{Flavobacteriurn indologenes}$, d. h. die mikrobiellen Wechselwirkungen in der Mischpopulation, konnten nicht eindeutig geklärt werden.

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